Bibliografía

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* Analysis of Biological Development

Kalthoff K

Capítulos: 1-2-5-6-8-20-221-22-23-25-26-29

* Otros artículos.

Exámenes

Indique V o F y justifique.• Las proteínas son polímeros de aminoácidos.

Verdadero. Los aminoácidos se condensan en uniones peptídicas formando las proteínas.

Verdadero. Los aminoácidos forman polímeros llamados proteínas.

El dengue es trasmitido por una mosca.

Falso. El dengue es transmitido por un mosquito (Aedes aegyptys).

Falso. El dengue NO es trasmitido por una mosca.

Enumere las principales macromoléculas.• Proteínas• Lípidos• Ácidos nucleicos• azúcares

Esquematice una célula

• Una célula está formada por una membrana plasmática, un citoplasma y el núcleo

núcleo

Membrana plasmática

citoplasma

Homunculus

por N. Hartsoecker in 1695

Ya estaba completamente formado dentro del espermatozoide.

Los características de la madre se adquirían en el vientre, durante la preñez

DESARROLLO

Los cambios que sufren las células durante el desarrollo sugieren que éstas tienen capacidad de activar grupos de genes diferentes dependiendo del momento del desarrollo

FORMACIÓN DE PATRONES: arreglo espacial ordenado de diferentes elementos

EPIGENESIS: Generación de formas más complejas a partir de precursores simples

huevo fertilizado

organismo adulto

Expresión diferencial de genes

Adquieren estructura y función diferentes.

Todas las células de un organismo tienen la misma información genética.

GENES

RNAs

POLIPÉPTIDOS

ENZIMAS Y PROTEÍNAS ESTRUCTURALES

MORFOLOGÍA Y COMPORTAMIENTO CELULAR

DESARROLLO DEL ORGANISMO

CONTROL GENÉTICO DEL DESARROLLO

EVENTOS MOLECULARES

Sin embargo...

Hay alteraciones celulares que no ocurren por cambios en la secuencia del ADN

http://www.youtube.com/watch?v=rFtvXMRNBmo

EPIGENÉTICAEPIGENÉTICAEstudio de cambios heredables en la expresión de genes que ocurren sin cambios en la secuencia de ADN

genoma

1 para cada organismo

epigenoma

1 para cada tipo celular

transcriptoma

1 para cada epigenoma

hardwarehardware programasprogramas uso de cadauso de cada programaprograma

MecanismosMecanismos

Metilación del ADN: asociada a la represión transcripcional

Modificación de la histonas: acetilación, metilación, fosforilación, ubiquitinación.

Silenciamiento asociado al ARN: microRNAs

Metilación deresiduo citosina

Metilación de dos lisinas (K) de una histona

modificaciones represivas

modificaciones activadoras

Drosophila melanogaster, el modelo

Mutación en el el gen Ultrabithorax

Células somáticas

diploide

Células altamente especializadas para cumplir su función

espermatozoide óvulo

haploide

gametas

dos divisiones

MEIOSIS

SEPARACION DE CROMOSOMAS HOMÓLOGOS

combinación de genes maternos y paternos

Célula gameta precursora gameta haploide

FERTILIZACIÓN combinación de dos células haploides cigoto diploide

crossing overintercambio de segmentos entre cromosomas homólogos

independent assortmentsegregación independiente de cromosomas homólogos

VARIACION GENÉTICA

compromiso (commitment)

POTENCIA: suma de todas las estructuras que la descendencia de una célula pluripotente pude adquirir

DESTINO (fate): lo que una célula llegará a ser con el desarrollo normal

DIFERENCIACIÓN: proceso por el cual se limita la potencia de una célula

diferenciación

célula madura

huevo fertilizado célula pluripotentemiocito neurona

célula epitelial

hepatocitolinfocito

osteocito

CICLO DE VIDA

3 hs

7 hs

8 hs

12 hs44 hs12 meses

VARIABLE: permite correcciones posteriores (vertebrados e insectos)Desarrollo regulativoDeterminación celular tardía

INVARIABLE: cada embrión sigue el mismo patrón estereotípico de clivaje (gusanos, moluscos)Distribucipon de determinantes citoplasmáticosDesarrollo en mosaicoDeterminación celular temprana

• Serie de divisiones mitóticas rápidas:blastómeras blástula

• Distribución desigual de los componenetes citoplasmáticos• Varias copias del genoma• Evitar a los predadores

CLIVAJECLIVAJE

LOCALIZACIÓN CITOPLASMÁTICA

polo animal polo vegetal (cerca del núcleo del ovocito) (opuesto al animal)

Ovocito transporte orientado de determinantes citoplasmáticos (ciertas moléculas)

Principio básico del desarrollo generación de asimetrías dentro del huevo

ectodermopolo animal

polo vegetal

mesodermo

endodermo

tejidos embrionarios que se formarándurante la gastrulación

Asimetrías en el huevo recién fecundado:

Determinación de los ejes:

ántero-posterior: deriva del eje animal-vegetal, se establece durante la

gastrulación.

dorso-ventral: determinado por la entrada del espermatozoide.

izquierda-derecha: visible luego de la organogénesis, por algunos

órganos, pero controlada genéticamente desde las etapas iniciales del embrión

(Vg1)

LOCALIZACIÓN CITOPLASMÁTICA

maternos: hasta el final del clivajeembrionarios: desde la gastrulación

activación: confiere una nueva capacidad a la célulainhibición: reprime el potencial de formar estructuras para la cual la célula tiene capacidad

• Factores de unión a DNA• Proteínas que afectan la traducción y estabilidad de mRNAs• Ligandos para receptores• Otras señales moleculares ancladas a organelas o al citoesqueleto

PROGRAMAS POR DEFECTO (default programs): ante la ausencia de determinantes citoplasmáticos, la célula continúa con programas alternativos del desarrollo

determinantes citoplasmáticos mRNAs y proteínas

mRNA gurken mRNA oskar mRNA bicoide

Embriones de Drosophila

MOVIMIENTOS MORFOGENÉTICOS

División celular Cambios de forma Cambios en las propiedades adhesivas Intercalación Muerte celular programada

Luego del clivaje...

Gastrulación: • inicio de la expresión del genoma del embrión • formación de las tres láminas germinales

EndodermoMesodermoEctodermo

}

DESARROLLO

FORMACIÓN DE PATRONES: arreglo espacial ordenado de diferentes elementos

EPIGENESIS: Generación de formas más complejas a partir de precursores simples

huevo fertilizado

organismo adulto

PATRONES DE DESARROLLOArreglo espacial armonioso de diferentes elementosOcurre en distintas escalas, a lo largo del desarrollo

valor posicionalasignación

interpretación

yc

yb

ya

xa

xc

xb

• El cuerpo completo• El colorido de un animal• La organización de un tejido• El arreglo de las organelas en un dado tipo celular

El destino celular depende de su ubicación en un “territorio de células”

La formación de los patrones depende de: • interacciones celulares• Información genética de las células que interaccionan• La historia de su desarrollo

Algunas señales son generales y bien conservadas evolutivamente Son usados en diferentes partes del cuerpo, simultánea o sucesivamente

Estructuras formadas luego del transplante

donante / receptor

sapo salamandra

Sapomandíbula córnea, ventosas

mandíbula córnea, ventosas

salamandradientes, “balancer”

dientes, “balancer”

Spemann & Schotte, 1932

una sustancia difusible (MORFÓGENO) transmite una señal en todo el campo que decrece con la distancia

+ concentración de morfógeno -

factor de transcripcióngen

cél. A cél. Ccél. B

valor posicionalasignación

interpretación

Modelo de gradiente:

las señales son de corto alcance y entre células vecinas

Modelo de inducción secuencial:

Son modelos. No son excluyentes. Son modelos. No son excluyentes.

CAMPOS EMBRIONARIOS: grupos de células que cooperan para formar una estructura completa y proporcionada

INVARIAILIDAD DE TAMAÑO

Cambio del tamaño del campo Cambio del tamaño del órgano

órgano proporcionado

gemelos

Las células en un campo tienen más potencia que destino

campo que da origen a una extremidad

pata, ala, brazo, etc.

transplante de un nuevo campo

más de una extremidad

remoción del campo

ausencia de extremidad

Qué función cumplen los determinantes citoplasmáticos?

Qué es un campo embrionario?

Drosophila melanogaster, el modelo

Mutación en el el gen Ultrabithorax

anterior posterior

dorsal

ventral

CASCADA DE REGULACIÓN DE GENES QUE CONTROLAN EL DESARROLLO DEL PATRÓN ÁNTEROPOSTERIOR EN

DROSOPHILA

Genes efectores maternos(bicoid+, nanos+)

Genes pair-rules (hairy+, fushi tarazu+)

Genes gap(hunchback+, Krüppel+)

Genes realizadores(connectin+)

Genes de polaridad segmentada(engrailed+, wingless+)

Genes homeóticos(Antennapedia+, Ultrabithorax+)

Rol temporario

primeros genes con patrón periódico

Factores de transcripción que actúan como gradientes de morfógenos

DESARROLLO DORSO VENTRAL

actividad polarizante generada por las células foliculares ventrales

• activación de un ligando por la actividad polarizante ventral• unión localizada del ligando a un receptor distribuido por todo el huevo.

transporte de la proteína dorsal (gen materno) dependiente de la activación de un receptor ventrala mayor activación del receptor, mayor cantidad de proteína dorsal.

dorsal = factor de transcripción• inhibe la expresión de ciertos genes, restringiendo su expresión a la zona dorsal• activa otros genes en la zona ventral

El fenotipo dorsal dorsal

ventral

proteína dorsal morfógeno

Establecimiento de la polaridad dorso-ventral y lateral

larva blastodermo

proteína dorsal ausente

proteína dorsal presente en todo el embrión

CASCADA DE REGULACIÓN DE GENES QUE CONTROLAN EL DESARROLLO DEL PATRÓN ÁNTEROPOSTERIOR EN

DROSOPHILA

Genes efectores maternos(bicoid+, nanos+)

Genes pair-rules (hairy+, fushi tarazu+)

Genes gap(hunchback+, Krüppel+)

Genes realizadores(connectin+)

Genes de polaridad segmentada(engrailed+, wingless+)

Genes homeóticos

Rol temporario

primeros genes con patrón periódico

anterior posterior

dorsal

ventral

GENES HOMEOTICOS

otros factores de transcripción proteínas secretadas de señalización intracelular

moléculas de adhesión celular

control de la expresión

genes realizadores

• Especificación de los rasgos particulares de cada segmento Patrón regional de expresión

Combinación de genes + mosaico de células que expresan cada gen

• Inicio de la transcripción previo a la formación de blastodermo.

• Activados por genes gap.• Permanecen activados durante todo el desarrollo, hasta la etapa de pupa.• Interacción entre ellos.• genes homeóticos = factores de transcripción

Etiquetas moleculares que indican las estructuras que se formarán en cada segmento. Su expresión depende la expresión correcta de los genes anteriores en la cascada.

Regla de colineridad

Expresión escalonada: se expresan más genes homeóticos en los segmentos posteriores que en los anteriores

Alelos mutantes

genes usados por las células para elegir entre patrones alternativos de desarrollo

Altamente regulados: más de un promotor y/o sitios de poliadenilacióngran tamaño de intronessplicing alternativo

El orden físico de los genes dentro de cada complejo está relacionado con el orden de los dominios de expresión a lo largo del eje ántero-posterior del embrión

Pérdida de función→ afecta el segmento donde se expresa normalmente (estructuras más anteriores)

Ganancia de función→ genera un patrón similar al que se observa en su dominio normal de expresión (estructuras más posteriores)

Localización cromosomal y dominios de expresión de los genes homeóticos en Drosophila

labial+ (lab+)

Deformed+ (Dfd+)

Sex combs reduced+ (Scr+)

Antennapedia+ (Antp+)

Ultrabithorax+ (Ubx+)

abdominal A+ (abd-A+)

Abdominal B+ (Abd-B+)

Complejo Antennapedia

Complejo Ultrabithorax

Están agrupados en el 3° cromosoma en dos regiones.Complejo Antennapedia: parasegmentos anterioresComplejo bithorax: parasegmentos posteriores

lab+ Dfd+ Scr+ Antp+ Ubx+ abd-A+ Abd-B+

3’ Complejo Antennapedia Complejo bithorax 5’

Secuencia consenso de 180 nucleótidos que comparten la mayoría de los genes involucrados en la formación de patrones

• 3’, zona del C-terminal de la proteína HOMEODOMINIO• eucariotas• siempre son factores de transcripción• unión a DNA 3 HÉLICES• la especificidad residiría en diferencias en la unión a DNA y/o en la asociación selectiva con otros factores de transcripción.

Los complejos en los cuales se agrupan los genes homeóticos se observan en todos los organismos

vertebrados 4 complejos Hox alrededor de 10 genes Hox

4 cromosomas

Secuencia aminoacídica de los homeodominios

Evolución del complejo homeoboxUnión del homeodominio al DNA

Comparación entre los genes homeobox de Drosophila y de ratón

• Ubicación coincidente con el orden físico real dentro de los cromosomas.• Los genes pueden ser alineados, de modo que cada columna representa una subfamilia con los genes de mayor similitud entre sus homeodominios.

Genética reversa

Transformación en estructuras más anteriores:• inactivación de una homeoproteína• inactivación del producto de un gen Hox• eliminación de un gen Hox• knock out (KO)

Transformación en estructuras más posteriores:• sobreexpresión de una homeoproteína• expresión en etapas o áreas donde el gen original no se exprsa

Ácido retinoico teratógeno estudio de genes homeóticos

Modifica la expresión de genes Hox y causa transformaciones morfológicas

¿activador natural de genes Hox?

Transformaciones homeóticas en ratones KO para Hoxc-8

Ratón normal (26 vértebras):• 7 vétebras cervicales• 13 (8-20) v. torácicas con 8 costillas, la última flotante• 6 (21-26) v. lumbares

Ratón KO:• la vértebra 21 v. Torácica• la costilla 8 está unida al esternón• aparición de un elemento extra en el esternón para la uníón de la costilla 8

Expresión de XlHbox 1• renacuajos• acumulación de la proteína en el tronco anterior

Inyección de anticuerpos anti- XlHbox 1

El embrión carece de la parte anterior de la médula espinal.En su lugar, se desarrolla cerebro posterior.

La ausencia de la proteína XlHbox 1 causa la transformación hacia estructuras anteriores

Ratón que sobreexpresa Hoxa-7:proatlas vértebra. no hay eje, ni densa y aparece un disco intervetebral extra

Ratón normal:proatlas base del occipital + vétebra cervicalprevértebras C1 y C2: atlas, densa y eje

La sobreexpresión de genes homeóticos produce un fenotipo característico de estructuras posteriores

Desarrollo de las vértebras cervicales

¿Qué es un gen homeótico?

otros factores de transcripción proteínas secretadas de señalización intracelular

moléculas de adhesión celular

control de la expresión

genes realizadores

genes homeóticos = factores de transcripción

Jerarquía de adhesividad

Hipótesis de adhesión diferencial

condrocitos

hepatocitos

miocitos

LAS CÉLULAS DIFIEREN EN SU AFINIDAD POR OTRA CÉLULA

moléculas de adhesión al sustrato (SAMs)

moléculas de adhesión celular (CAMs)

membrana plasmática

moléculas de cell junction

• Conectan células entre sí.• Se forman lentamente y son uniones muy estables

DesmosomasTight junctions (barrera)Gap junctions (pequeños canales que permiten el paso de señales químicas . Ej. Epitelio intestinal)

• tipo inmunoglobulinas (NCAM)• cadherinas (dep. de Ca2+)• lectinas y enzimas

CAMs unión homotípicaheterotípica

citoplasma

dominio citoplasmático

dominio transmembrana

proteína linker

proteína de citoesqueleto

dominio de unión

membrana citoplasmática

IMPORTANCIA DE LOS LIMITES

prevenir la mezcla de diferentes tipos celulares. disminución de la transferencia de señales en tipos celulares contrlolados por distintos genes. líneas con una adhesión celular altamente reversible para facilitar los movimientos morfogenéticos.

MOVIMIENTO MORFOGENÉTICO

“tironear” hacia los nuevos sitios despegarse del sitio de adhesión anteriror adhesión al nuevo sustrato acoplamiento del citoesqueletos al sitio de adhesión

genes selectores

señales intracelulares

morfogénesis

movimientos celulares

otras células

síntesis de CAMs

adhesión célula-célula

señales intracelulares

genes de las CAMs

interacciones entre CAMs

control transcripcional

Las CAMs son controladas por genes Hox

Plásmido reportero: CAT + promotor y enhancer de NCAM

Plásmido efector: Hoxb-8 y Hoxb-9

Las CAMs controlan la expresión de genes

MATRIZ EXTRACELULAR

Materia intersticial ssintetizada por las células y secretada por exocitosis• sostén.• influye en diversas funciones celulares (división, movimiento, diferenciación).• reservorio de factores de crecimiento.• actúan como factores de crecimiento.

Glicoproteínas

glicosaminglicanos(azúcares)

colágenoFibronectinalamininaotras

unidos a un core proteico proteoglicanossolos

gran carga negativa atraen moléculas de agua gel

proteínas fibrilares forman mallas

¿Cómo se entera la célula del tipo de ECM que la rodea?

proteoglicanosdiversas proteínasintegrinas

- héterodímeros -- proteínas trans-membrana CAMs- secuencia de las moléculas de la ECM que reconocen: RGD

RECEPTORES

Las células expresan diferentes repertorios de receptores y están expuestas a variadas ECMs a lo largo del desarrollo

Adhesión diferencial

genes selectores

señales intracelulares

morfogénesis

movimientos celulares

otras células

factores de crecimiento

síntesis de SAMs

adhesión célula-ECM

señales intracelulares

genes de las SAMs

síntesis de ECM

control transcripcional

Plásmido reportero: CAT + promotor y enhancer de tenascina

Plásmido efector: Hox a-6

fibroblastos 3T3 cotransfectados

Cambio en la masa del organismo

Hiperplasia: incremento en la masa, por división celular

Muerte celular

Hipertrofia: incremento en la masa,sin división celular

Distrofia

Crecimiento por adición de matriz extracelular

Regulación interna: crecimiento potencialgenotipohistoria previa del desarrollo

externa factores de crecimiento: acción local, parácrina o autócrinahormonas: producidas en glándulas endócrinas y

transportadas por sangre

determinantes intrínsecos de crecimiento

Balance entre señales positivas y

negativas

moléculas inhibitorias

moléculas promotoras

+

-

¿Para qué sirven los límites?

¿Cuáles moléculas son claves en el establecimiento de los mismos?